快速模块化采煤机自动控制系统的设计
2021-10-15吴昊
吴 昊
（晋能控股煤业集团有限公司四台矿，山西 大同 037000）
引言
随着工作面综采自动化水平的提高，对采煤机的自动化控制成为决定采煤机性能的重要参考。针对采煤机的电控系统，采用CAN总线形式的架构，搭建快速模块化的自动控制系统，依据采煤机的不同功能，划分不同的功能模块，对传感信号进行处理，实现采煤机的自动化控制[1]。通过自动控制技术，可以减轻井下作业人员的劳动强度，提高煤矿的开采效率及作业水平。
1 采煤机模块化自动控制系统的整体设计
采煤机是进行煤层截割、落煤及装煤的关键设备，设备多采用双滚筒的形式提高采煤作业的效率，主要由左右截割部、左右牵引部及液压系统和电控系统组成。依据对采煤机电气控制系统的功能模块进行划分，主要包括如图1所示的8大模块[2]，分别为主控模块、模拟量模块、开关量模块、遥控模块、语音模块、载波通讯模块、漏电检测模块及牵引控制模块。总线协议采用基于CAN线的总线控制，是国际标准的工业级总线技术，具有较高的传输效率及良好的差错纠错机制，可实现设置不同的节点优先级并可实时地进行数据传输。采用CAN线的总线协议可以保证各模块之间的通讯便捷，保证系统整体的稳定灵活。
图1 采煤机模块化自动控制系统整体框图
在自动控制系统中，不同的模块实现各自相应的功能。主控模块作为核心模块，通过CAN线总线协议接收各个模块的数据并进行计算处理后发回给各个模块，其中通过本安CAN协议连接外接传感器进行数据采集，并与左右端头的操作站进行连接通讯；开关量模块具有输入输出通道，控制电机及电磁阀等[3]；模拟量模块实现对主回路电压及电机连接电压互感信号的检测，通过总线传输到主控模块；语音模块依据主控模块的指令进行语音的播报，包括系统的操作及预警故障等信息的输出；遥控模块可进行遥控信号的发送及接收，实现采煤机的遥控动作；载波通讯模块能进行载波的发送及接收，实现采煤机的远程通讯及控制；漏电检测模块对电机进行绝缘检测，保证采煤机的安全作业；牵引控制模块与左右变频器相连接，控制变频器的方向和速度，并进行数据的传输。
2 采煤机模块化自动控制系统的模块设计
2.1 CAN总线协议的驱动电路设计
采煤机模块化自动控制系统共分为8个模块，采用CAN线控制的总线协议，对于CAN驱动电路采用自带的CAN控制器，节省电路板的空间，并简化对系统的调试。CAN线驱动电路如图2所示，各模块的CAN控制器通过驱动电路的处理后接入总线系统，采用IL41050收发芯片，具有较高的传输速度，并且能提供总线的短路保护、热保护及电源接地保护[4]。
图2 CAN线驱动电路
2.2 功能模块的设计
在采煤机模块化自动控制系统中，主控模块作为核心的功能模块，通过CAN线对采集到的信号进行运算处理，并进行指令的下发，该模块的功能如图3所示[5]，主要包括本安电源模块、CAN接口模块实现通讯，本安CAN接口实现采煤机传感器数据的采集、本安485信号实现与左右两端操作站的连接、485信号实现与显示屏的连接，进行系统数据的实时显示。
图3 主控模块的功能框图
开关量及模拟量采集模块对不同信号的采集处理后传输给主控模块，均采用24 V电源供电，相应数量的检测接口与传感器信号相接；采煤机在作业过程中，在工作面上进行循环作业，信息较为闭塞，载波通讯模块采用电力线载波及时进行信号的传递，通过已有的电力线为媒介实现数据的传递[6]。由于井下工作面的环境较为恶劣，载波通讯模块采用1-10 MHz之间的工作频带，采用全双工的工作模式保证高噪声下的正常通讯。载波通讯模块电路如图4所示，采用FSK技术进行信号的调制，经功率放大器后耦合到电力线上进行信号的发送；信号接收时，首先进行滤波处理经解调后得到接收的原始数据。
图4 载波通讯模块电路设计
语音模块通过音频接口，进行语音的合成，经过电路放大之后进行语音的播报，采用集成芯片的方式可以实现语音的编码及解码，可支持进行状态的查询及多种命令形式；遥控模块通过遥控器实现对天线信号的发送和接收，经过系统采集后传输到总控模块。牵引控制模块通过微处理器进行主控模块牵引控制信号的接收，通过另一路CAN线控制左右的变频器，从而实现对采煤机的控制。同时，由于采煤机上具有抱闸制动器，当变频器进行工作时，同步控制制动器打开，变频器停止时，控制制动器闭合，从而实现采煤机的动作。
3 结论
采煤机的自动化控制采用CAN线的总线控制，可实现数据的快速通信。系统共分8种功能模块进行采煤机的自动作业，各模块的结构简单，便于布置，并且便于检测维修。相比传统的PLC控制，该系统降低了作业的难度，简化了配置，保证了系统的稳定性。对采煤机进行模块化自动控制系统的应用，可以减少工作面作业人员的数量，降低工作面的劳动强度，提高采煤机的作业效率，可以实时地进行采煤机状态的监测及远程控制，提高了煤矿作业自动化的水平及效率。
